DEMO 2 RUEDA DE BICICLETA

COL· LECCIÓ DE
DEMOSTRACIONS
DE FISICA
DEMO 2
RUEDA DE BICICLETA - GIRÓSCOPO
Figura 1
Figura 2
Figura 3
Autor/a de la ficha
Chantal Ferrer Roca
Palabras clave
Mecánica, Dinámica de Rotación, Giróscopo, Precesión
Objetivo
Demostrar la conservación del momento angular y la precesión giroscópica de manera
especialmente llamativa.
Material
- Rueda de bicicleta y cuerda para suspenderla (el mango liso tiene un orificio para pasar la
cuerda, hacerlo de manera que queden unos 50 cm de cuerda doble).
-plataforma giratoria para que una persona permanezca de pie.
Tiempo de Montaje
Nulo.
Descripción
1. Poner en rotación la rueda: a) bien sujetándola por el mango rugoso (en el sentido indicado
de giro) e impulsando el borde con la otra mano. o bien b) apoyando sobre el suelo el mango
liso y poniendo en rotación el mango rugoso como indica la figura 1.
2. Funcionamiento como un trompo (figura 2).: Apoyar la rueda en el suelo por el mango liso,
de manera que el plano de la rueda sea perpendicular a suelo. Si ésta no gira , se inclina y su
borde se apoya en el suelo. Si se encuentra rotando sobre su eje, mantiene su plano paralelo al
suelo y si se la obliga a inclinar su eje de giro, aparece el movimiento de precesión
3. Funcionamiento como giróscopo sujeto de un extremo:.
a) Empezar la demostración poniendo de manifiesto que la cuerda cae si no gira:
sujetar la cuerda (pasada por el orificio) con una mano y por el mango rugoso por el otro. Al
soltar el mango rugoso manteniendo sujeta la cuerda, ésta cae y queda colgando con el plano
de la rueda paralelo al suelo.
b) Poner en rotación la rueda: Cuando se haya conseguido una velocidad angular
considerable, sujetar la cuerda que pasa por un mango, orientar la rueda de forma que su plano
esté perpendicular al suelo y soltar el otro mango. La rueda mantiene siempre la
perpendicularidad al suelo (figura 3), sólo que aparece un movimiento de precesión: el módulo
del momento angular se mantiene constante, mientras el momento de la fuerza gravitatoria
produce cambios en su dirección en cada instante (figura 4) , lo que obliga a la rueda a
mantener su plano perpendicular al suelo, sin caer. (aunque la pérdida de energía mecánica por
rozamiento hace disminuir progresivamente la frecuencia de rotación de la rueda y poco a
poco ésta se va inclinando hasta parar y caer definitivamente).
G
Ω
G
M
G
r
punto de sujeción de
la cuerda (se indica el
sentido de la tensión
de la cuerda en el
punto de sujeción)
G
mg
G
ω
G
L
Sentido de giro de la
precesión debido al
momento de la fuerza peso
Velocidad angular de giro de la rueda
sobre sí misma. El momento angular
tiene la misma dirección
Figura 4.- Rueda vista desde arriba
4. Conservación del momento angular:
a) Una persona se sube a la plataforma (estudiante). Otra (profesora/a) hace girar la rueda con
velocidad angular elevada y la da en mano a la persona que se encuentra sobre la plataforma,
de forma que el plano de la rueda sea paralelo al suelo. Esta persona invierte completamente la
rueda (180º). Por lo que la plataforma gira, proporcionando el momento angular necesario para
que la suma de ambos (el de la plataforma y el de la rueda) coincidan con el inicial. Al invertir
de nuevo la rueda a la posición inicial, la plataforma deja de girar.
b) Si la persona que se encuentra en la plataforma coge la rueda con el plano de ésta
perpendicular al suelo, dependiendo del lado hacia el que la incline (derecha o izquierda), la
plataforma girará en un sentido u otro.
c) La persona sdobre la plataforma no cambia la orientación de la rueda, simplemente la apoya
sobre su cuerpo para intentar frenarla (cambio del módulo de L), por lo que la plataforma
girará en el sentido de la rueda para compensar la pérdida de momento angular.
Comentarios y
sugerencias
1. Poner en rotación la rueda (ver la advertencia) y sujetarla por los mangos con ambas manos
como si éstos fueran los manillares de una bicicleta. Al inclinar el eje de la rueda en distintas
direcciones se observa una oposición de la rueda a ese cambio y una tendencia de ésta a girarse
en una dirección perpendicular a la de la fuerza que ejercemos para efectuar ese cambio. Se
tiene la sensación de algo ingobernable (se puede hacer probar a varios alumnos)
2. Posibles cuestiones para los estudiantes:
- ¿qué sucede si se obliga a girar la rueda en sentido opuesto?¿cambia el sentido de giro de la
precesión?
- ¿qué sucede si la rueda gira sobre su eje apoyada sobre el suelo con su plano perpendicular a
éste? (uso habitual de las ruedas de bicicleta)
- ¿qué sucedería si realizáramos esta experiencia en situación de ingravidez? (transbordador o
estación espacial o caída libre).
Advertencias
Es aconsejable poner en rotación la rueda en el sentido señalado por la flecha en la propia
rueda, porque si se hace en el sentido contrario y se sujeta el mango rugoso, que solo admite un
sentido de giro, toda la energía de rotación de la rueda se transformará en calor por rozamiento
con vuestra mano.